变频器工作原理及其应用

张柱

摘 要：电动机作为电能应用的最常见设备，广泛应用于人类生产的各个领域。变频技术是当前电动机控制主流技术，具有十分广阔的发展前景。文章围绕变频调速相关内容进行探讨，阐述了变频调速的原理和特点，对变频调速在日常生产中的应用情况进行了简要介绍。

关键词：变频技术；调速；节能

引言

自十九世纪第一台电动机发明以来，已经过去了近200年。在这长达两个世纪的漫长时间里，形形色色、各种各样的电动机进入人们的视线，作为人们对于电能应用的一个主要分支，在人类社会生产和生活领域发挥着重大作用。就调速性能而言，电动机大体上经历了三个阶段，即直流电机、异步电机和变频交流电机。从时间上看，一直到20世纪70年代前直流电机都占据着电动机的统治地位。直流电动机调速性能具有调速范围广、稳定性好、过载能力强的优点。但生产工艺复杂，后期维护成本高，使用时限较短等问题给直流电机应用造成很大负面影响。特别是电动机本身的换向器及电刷使用寿命严重不足，是直流电机的最大缺陷。针对这个问题，人们开发出了异步电动机，电动机换向器和电刷的问题基本解决，但异步电机使用交流电，调速性能差是其主要缺点。第三个阶段是变频技术的出现。应用变频技术的交流电动机可以较为妥善的解决异步电动机的调速问题，从而逐步取代直流调速成为拖动调速的主流技术。所谓变频技术，顾名思义是指通过对交流电的频率进行调整，从而达到控制交流电机控制的方法。应用变频原理，使用电力半导体器件通过对电路的通断控制实现对工频电源频率的改变的设备就是变频器。日常工作中，变频器的作用主要是将固定电压和频率的交流电源转变为可变电压和频率的交流电源。

1 变频调速技术概述

变频器在拖动系统中的最大作用就是电动机调速，对电动机运转方式予以控制以实现预设目标。需要注意的是，稳定运转是电动机系统的基础前提，调速与否或使用何种调速方式都不能违背这个前提。为此，必须保证系统在因故发生扰动时能够在允许时间内进行必要程度的自我恢复，消除扰动带来的不利影响。具体来说，当系统受到扰动时，电动机可以通过其本身电气参数的改变来保障系统应有的负载特性，而不能依赖于外加电气参数的调整。因为电动机机械特性是电动机自身电气参数综合作用的结果，当这些电气参数发生变化时，电动机机械特性也随之发生改变，从而形成新的机械特性曲线。而新的机械特性曲线与电动机负载特性曲线相交所产生的交点所显示的就是系统重新达到稳定的状况。这就是变频器驱动电动机实现调速的基本原理。虽然可以通过调整电动机自身参数来改变电动机机械特性，但受系统转动惯量的影响，电动机转速的变化是个渐进的过程，尽管这个过程也许很短。正常情况下，外界给予电动机系统的参数发生变化时，电动机电磁转矩同步发生改变，打破了原有转矩平衡，系统合转矩重新形成。新的合转矩给予系统一个加速或减速的效果。在其作用下，系统重新达到平衡，形成新的稳定状态。这个加速或减速过程就称为调速过程。实际工作中，极对数、转差率和频率是最常用来实现电动调速的参数。其中，极对数和转差率调速法具有转差损耗大，效率低的缺点，使用条件较为苛刻，适用范围较小。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。尽管在调速过程中转差率可以控制在一定范围内，但单纯依赖电动机频率的调节无法保障变频特性。从异步电机公式中我们可以看到，电动机频率和磁通量的乘积大体上和外加电压成正比例关系，在外加电压一定的情况下，如果磁通量上升，则频率下降，反之则频率上升。当频率下降到一定程度时，磁通量会达到饱和状态，使得励磁电流增大，有效功率在总功率中的比例下降，大量电能转为热能，电动机铁芯和线圈温度迅速升高，给电动机的正常安全运转带来威胁。为防止上述问题发生，在降低频率的同时也要降低电压，实现频率与电压协调控制。另外，有些情况下的调速需要磁通量恒定，这时就需要调整电压和频率，所以变频调速也就称之为可变频率可变电压调速（VVVF）。

2 变频调速技术的特点

变频调速是当前电机调速的主流发展方向，具有调速平滑性好、效率高的特点。当电机转速较低时，变频调速可以在保障电机稳定运行的基础上实现较大范围的调速，调速精度较高。使用变频调速，可以有效控制起动电流，不但可以将电机起动时对电网的冲击降到最低，而且有助于節约电能。从设备角度讲，变频电机体积较小，安装、调试和后续维护、维修简单易行，有利于实现过程自动化。缺点是成本高，必须配有专用的变频电源，且在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力十分有限。

3 变频调速技术应用情况分析

3.1 使用变频调速技术，可以大幅度节约能源

通过不同电机在相同情况下的对比分析可知，风机、泵类等电力设备在使用变频技术后节约的能源最为突出，一般可以比使用前节约20%到60%的电能。之所以效果如此明显，主要是风机、水泵类设备的负载功耗与转速的三次方成正比的原因。一旦转速下降，电机功耗就会大幅降低。而传统的挡板或阀门进行流量调节时，对于耗用功率的影响并不大。

3.2 使用变频调速技术，可以实现电机运行的高效控制

一是实现电机正转、反转的控制。通过对变频器内部逆变管开关顺序的简单调节，就可以转变输出方向，从而有效避免转换操作不当给电机设备带来的损坏。二是实现电机加速、减速的控制。通常情况下，变频器调速系统启动时频率较低，能够根据需要自由设定加速或减速时间，有利于加速或减速过程的平滑，将启动电流控制在一定范围内。

3.3 使用变频调速技术，有助于产品质量和加工工艺水平的提高

除了上述提及的泵、风机等设备外，变频技术还可以用于控制传送、卷绕、起重、挤压、机床等多种机械设备。使用变频技术后，设备的工作状态大为改善，不仅有利于延长使用寿命，而且有助于降低设备控制的难度和复杂性，对于提高生产质量水平也是非常有利的。

4 结束语

变频调速技术目前已经广泛应用于我国工农业生产等各个领域，在节能降耗方面发挥了极为显著的作用。科技水平的不断提高，推动了变频调速技术的发展。特别是新型大功率半导体器件的出现，更是给变频调速技术注入了巨大的发展活力。大功率、高电压是当前变频调速技术的主流发展趋势，与之配套的精确控制和动态特性也随之完善。随着我国经济体制改革的深入推进，电力产业正迎来一个更加广阔的发展空间。电机企业要牢牢抓住这个宝贵契机，加大新产品、新技术的研发力度，提高自主开发水平，缩减我国变频调速技术和世界先进水平的差距，为我国工业的进一步发展提供有力的支持。

参考文献

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[2]姜保娜.试论变频器节能技术原理及其应用[J].科技创新与应用，2014（7）.